LTE及LTE-A系统预编码技术的研究

LTE及LTE-A系统中预编码技术的研究Xx摘要：本文首先概述了预编码技术的发展历史、基本原理和研究意义。重点介绍了预编码技术在LTE及LTE-A系统中的应用，最后对预编码技术的发展趋势做出预测及综合评论。关键词：预编码；LTE；CoMPTheResearchofLTEandLTE-APrecodingTechnologyxxAbstract:Thispaperfirstoutlinestheprecodingtechnologyofdevelopmenthistory,basicprincipleandresearchsignificance.,focusedlyintroducingtheapplicationofprecodingtechniquesinLTEandLTE-Asystem.,andfinallyforecastingthedevelopmenttrendofprecodingtechniqueandreviewingcomprehensively.Keywords:precoding;LTE;CoMP1前言近十多年来，随着对基于多天线的多输入多输出（MIMO）技术研究的不断进步，无线通信取得了新一轮的蓬勃发展。在现有的商用移动通信系统中，用户数的增加和业务对速率要求的不断提高，使频谱资源日益紧张。在这样的背景下，理论界和工业界都积极地研究和推进MIMO技术。MIMO研究的最初期，主要是侧重利用多接收天线的接收检测算法，实现对数据流的正确解调。但由于MIMO系统中常常是多路数据同时传输，信道比较复杂，仅仅依靠接收端的接收信号处理，难以达到工程需求的性能。在这样的背景下，MIMO研究的侧重点转向了把更多的信号处理推向发射端，这就引出了MIMO预编码的研究。预编码技术就是在已知信道状态信息(channelstatesInformation，CSI)的情况下，发送端利用CSI对发送信号进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量[1]。这种方法可以有效地抑制MIMO信道中的多用户干扰。实践证明，在MIMO系统中采用预编码技术能显著提高信道容量，并能大大简化接收机的算法，因此成为了当前的研究热点之一。预编码通过利用信道的状态信息(CSI)，在发射端调整发射策略，接收端进行均衡，从而提高MIMO系统的性能。特别在多用户MIMO下行链路中，各个用户之间无法相互协作，不能利用上行链路的联合检测来恢复发射信号，因此预编码是多用户MIMO下行链路获得复用增益和分集增益的关键。2预编码技术2.1预编码技术在LTE系统中的应用目前主流的预编码技术根据用户个数可归结为单用户预编码技术和多用户预编码技术。其中单用户预编码技术又可以分为线性预编码与非线性预编码两大类。对于线性预编码来说，ZF(Zero-Forcing,迫零)算法和MMSE(Minimum-Mean-Square-Error，最小均方误差)算法是两个较为著名的算法。而对于非线性预编码来说，Costa提出的DPC(DirtyPaperCoding，脏纸编码)则是一种典型的非线性预编码算法。但鉴于DPC的复杂度太高，难以用于实际应用，THP(Tomlinson一HarashimaPreeoding)预编码被提出作为DPC的一种改良替代。THP是一种基于发送端的非线性去相关干扰抵消方法，用户所要传递的信息被放置在不同的层上然后依次经过一个非线性的模运算来消除它们之间的干扰。随着对更高系统性能的追求，人们开始对多用户场景下的预编码技术展开了广泛的研究，并提出了一些应用于多用户MIMO系统的预编码技术，如:块对角化预编码[2]和最大化信号泄露信噪比预编码等[3]。其中块对角化预编码算法能够将多用户MIMO系统的下行信道分解为多个平行或正交的单用户MIMO信道。每个用户的信号首先在发射端用调制矩阵进行预处理，使得干扰被有效地抑制。不同于块对角化预编码以优化信干噪比(signal-to-interference-plus-noiseRatio，SINR)为目标的做法，最大化信号泄露噪声比预编码以优化信号泄露噪声比(signal-to-leakage-and-noiseratio，SLNR)为目的，它允许用户之间少量的干扰存在。此外，预编码技术也可以分为基于码本的预编码方式和基于非码本的预编码方式，LTE中同时支持这两种方式。由于大多数预编码方案都需要在发送端已知当前的信道状态信息，但是因为反馈信道的开销十分昂贵[4]，人们才提出了基于码本的预编码方法。基于码本的预编码方法要求发送端和接收端共享同一套码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取一个使系统性能最优的矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。这样的预编码方案使得反馈信道所需传输的数据量较小，通常只有几个比特的大小，大大的节约了成本。正是由于以上这些特点，协议中规定[14]，LTE采用这种预编码方式。而基于非码本的预编码方式比较常见的有:基于线性接收机的SVD(奇异值分解)算法、基于ZF-SIC(ZcroForcing-SuccessiveInterferenceCancellation，迫零串行干扰消除)接收机的GMD(几何均值分解)算法，以及在GMD基础上改进的UCD(统一信道分解)算法等。但是由于以上各种算法分解的复杂度偏高，文献[5]中提出了另外一种复杂度低于以上三种算法的信道分解方法，称为基于LDLH分解的预编码算法。并通过仿真比较了上述四种算法：其中，UCD的性能最优，其次分别是GMD，LDLH与SVD。在高信噪比的时候，UCD比GMD提升了3到4个dB的性能，LDLH比SVD提升了大约1到2个dB的性能。而在低信噪比的时候，GMD算法比SVD要略差一些。2.2预编码技术在LTE-A中继系统中的应用根据协议规定[9]，LTERelease10中的上行链路MIMO最多支持4个发射天线，且能够提供4倍于Release8的峰值数据速率。LTE-Advanced下行链路最多支持8个发射天线端口进行数据传输。所以设计出新的8天线码本势在必行，目前，大家对码本设计准则基本达成共识[10]。已提交的方案主要有三个：三星公司方案[11]、华为公司方案[12]和摩托罗拉公司方案[13]。在以上码本方案中，三星公司方案先构造满秩码本，然后在满秩码本的基础上构造其余秩码本。由于满秩码本性能和低秩码本性能并无太大联系，因此很难保证低秩码本的性能。华为公司方案的高秩码本和低秩码本分别设计，虽然能保证两部分码本的性能，但破坏了码本的嵌套特性。摩托罗拉方案从低秩码本开始构造，但未找到扩展到高秩码本的方法。为此，文献[14]提出了一种新型的码本设计方案。该码本设计方案的思路是:首先进行秩为1的码本的设计，码本基于DFT矩阵生成，并通过各种性能指标来确保秩为1场景下的码本性能。对秩为1的每个码字，利用Householder变换和矩阵聚合的方式得到对应的秩为8的码字。最后，根据满秩码本构造其余秩对应的码本。同时，协议中也提出了一些新的关键技术[20]，其中就包括CoMP。CoMP预编码也叫做多小区预编码，是指多个不同的基站之间互相协作，降低小区之间的干扰，或者将干扰信号转化为有用信号。为了消除小区间干扰，一般分为干扰消除技术和联合处理技术[6]。对于干扰消除技术，每个基站依然只为自己的用户服务，但是在发送数据时需要避免对其他小区的用户产生干扰。这可以通过用户调度和预编码来实现。文献[7]中提到了两种基于干扰消除技术的预编码算法：联合迫零算法（JZF）和联合信泄抑制算法（JLS）。并对这两种算法进行了仿真，结果表明，当UE的移动速度比较小(3km/h)时，联合信泄抑制(JLS)的频谱效率略微优于联合迫零(JZF)算法；当UE的移动速度比较大(30km/h)时，联合信泄抑制(JLS)的频谱效率明显优于联合迫零(JZF)算法。而对于联合处理技术，每个基站在同一时刻均给同一个用户发送数据。这样，可以将原本的干扰信号转化为有用信号，从而提高用户的吞吐率。文献[8]中给出了三种常见的JP-CoMP预编码方法：迫零波束赋形预编码（ZFBF）、最小均方误差预编码（MMSE）和块对角化预编码（BD）。由于BD预编码算法复杂度比较高，难于实现，所以作者提出了两种改进的算法：基于QR分解的BD预编码（BD-QR）和基于ZFBF的BD预编码（BD-ZF），并给出了仿真结果：在用户接收端为2天线配置下，误码率为10-3时，BD-ZF比ZF大约有7dB的信噪比增益。但是当用户接收端天线总数配置时，BD-QR预编码失效。当前关于协作通信的大部分研究都是基于相干检测并假定接收端有完整的或部分的信道状态信息。然而这在许多实际系统中并不可行并且在系统中考虑部分可用的信道状态信息显得尤为重要。基于此，文献[15-17]提出了基于空时编码的差分编码，与接收机端具有理想CSI相比，这种差分编码性能稍有劣势。目前仅有少数研究对于协作传输环境下频率选择性衰落信道的差分空时编码进行研究。随着协作多点通信和中继技术[19]等关键技术的发展，也有学者研究了利用信道质量较好的部分信道进行预编码传输技术来改善迫零预编码传输性能不足的通信方案，并针对协作传输环境下的中继转发策略进行了研究，提出了根据实际系统架构和信道质量动态选择中继策略的算法，并进行了仿真分析。在中继端采用译码转发算法时，在高信噪比范围内，部分信道预编码较完全信道预编码的接收信噪比得到改善，在误比特率为10-2时，部分信道预编码大约可以获得0.8dB的性能提升[18]。3总结随着无线通信系统对吞吐率的要求越来越高，LTE作为4G系统中的中坚力量，必然将会得到广泛的应用。而预编码技术则是LTE系统中非常重要的一个环节。因此，本人结合LTE系统中的几个研究点，对未来预编码技术的发展趋势作下面几方面的预测和评论。（1）如何在LTE中应用CoMP技术。和多用户MIMO技术相比，CoMP更为复杂，需要多个小区之间互相协作，而且需要和用户调度技术相结合。也正因如此，3GPP目前并没有在LTE的最新版本中考虑CoMP技术的实现。也正因这样，LTE中的CoMP预编码技术也是一个非常需要研究的技术点。（2）由于协议中规定，LTE-A下行链路最多支持8天线系统，所以要考虑设计适应8天线的预编码码本。但目前还没有一个完美的设计方案。基于此，可以考虑使用一种双码本的设计方案，双码本在保证较低的复杂度的同时，可以更好地支持MU-MIMO。（3）由于中继技术的发展，中继技术在LTE-A系统中的应用越来越受到更多人的关注。所以在不久的将来，基于码本的MIMO中继预编码技术会得到进一步的研究，尤其是在混合转发中继算法的模式下，抗误码性能会有所提升。参考文献：[1]侯志宏，LTE/LTE-Advanced链路级若干关键技术仿真研究[学位论文].北京：北京邮电大学，2010[2]SpencerQ.H.,HaardtM.,Capacityanddownlinktransmissionalgorithmsforamufti-userMIMOchannel[C],ConferenceonSignals,SystemsandComputers,2002,1384-1388[3]SadekM.,TarighatA.,SayedA.H.,Aleakage-basedprecodingschemefordownlinkmulti-userMIMOchannels[J],IEEEtransactionsonWirelessCommunications,2007,6(5):1711一1721[4]WangShu;KimHobin,YiB.K.,OntheFeedbackChannelforMIMOBeamforming[C],WirelessCommunicationsandNetworkingConference,2008,683-687[5]ChouChe一Chen，ChenHsi一Chei，WuJen一Ming,ALowComplexityCh